無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

任遠(yuǎn)林 李艷華 聶凱

【摘? ?要】? ?為了提高無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)采集能力，設(shè)計(jì)基于集成DSP的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)。系統(tǒng)由傳感信息融合模塊、時(shí)鐘控制模塊、電源模塊、DSP集成控制模塊和人機(jī)交互模塊等組成。構(gòu)建無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)高速采集的信息處理模型，通過(guò)VIX總線(xiàn)處理技術(shù)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互控制，在A(yíng)RM嵌入式微處理器和集成DSP中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速處理，在A(yíng)D模塊中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和自動(dòng)控制指令加載，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行采集系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)和人機(jī)交互設(shè)計(jì)，以提升數(shù)據(jù)采集效率與質(zhì)量。仿真結(jié)果表明，采用該系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)高速采集的輸出穩(wěn)定性較好，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性較高，抗干擾性較強(qiáng)。

【關(guān)鍵詞】? ?無(wú)線(xiàn)傳感器;分布式數(shù)據(jù);高速采集;微處理器;人機(jī)交互

Design of Distributed High-speed Data Acquisition System

for Wireless Sensor Network

Ren Yuan-lin，Li Yan-hua，Nie Kai

（School of Applied Engineering，Anhui Business and technology College，Hefei 231131，China）

【Abstract】 In order to improve the distributed data acquisition capability of wireless sensor networks， a high-speed distributed data acquisition system based on integrated DSP is designed. The system consists of sensor information fusion module， clock control module， power supply module， DSP integrated control module and human-computer interaction module. This paper constructs an information processing model of high-speed distributed data acquisition in wireless sensor networks. The collected data are controlled interactively by VIX bus processing technology. The high-speed data processing is realized in ARM embedded microprocessor and integrated DSP. Data conversion and automatic control instruction loading are realized in AD module. On this basis， the interface design and human-computer interaction design of the acquisition system are carried out In order to improve the efficiency and quality of data collection. The simulation results show that the system has good output stability， high data acquisition accuracy and strong anti-interference performance.

【Key words】wireless sensor; distributed data; high-speed acquisition; microprocessor; human-computer interaction

〔中圖分類(lèi)號(hào)〕? TN710 ? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號(hào)〕 1674 - 3229（2021）01- 0000 - 00

0? ? ?引言

采用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)采集環(huán)境數(shù)據(jù)，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建環(huán)境信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和傳感融合跟蹤模型，能夠提高對(duì)環(huán)境信息和物理信息的感知識(shí)別能力，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)重組，并進(jìn)行環(huán)境信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和探測(cè)，構(gòu)建無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的信息融合和特征提取，研究無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)，在提高無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分布式融合特征重組和數(shù)據(jù)輸出的穩(wěn)定性方面具有重要意義[1]。

對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集是通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)輸出的可靠性參數(shù)分析和特征量化參數(shù)尋優(yōu)實(shí)現(xiàn)的[2-3]，在A(yíng)RM Cortex-M3內(nèi)核中進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的嵌入式開(kāi)發(fā)，能夠提升數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。當(dāng)前文獻(xiàn)[4]通過(guò)對(duì)ZigBee路由協(xié)議進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)優(yōu)化ZigBee網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)間的傳輸時(shí)延、均衡節(jié)點(diǎn)的能耗提出相應(yīng)的改進(jìn)意見(jiàn)。然后利用改進(jìn)后的ZigBee路由協(xié)議設(shè)計(jì)了一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)一種新的基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)由電源模塊、無(wú)線(xiàn)模塊和控制模塊組成。電源模塊為無(wú)線(xiàn)模塊和控制模塊提供電能，無(wú)線(xiàn)模塊使用智能總線(xiàn)協(xié)議或低功耗射頻協(xié)議從傳感器中采集數(shù)據(jù)，控制模塊利用MSP430F4250微處理芯片控制無(wú)線(xiàn)模塊的采集工作，并對(duì)所采集到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將處理后的數(shù)據(jù)將傳回?zé)o線(xiàn)模塊，通過(guò)控制模塊設(shè)置數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)無(wú)線(xiàn)模塊中處理后的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。但傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)高速采集的輸出穩(wěn)定性差，可靠性不高，針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出基于集成DSP的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)有傳感信息融合模塊、時(shí)鐘控制模塊、電源模塊、DSP集成控制模塊和人機(jī)交互模塊等，最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在提高無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)高速采集穩(wěn)定性和輸出可靠性方面的優(yōu)越性能。

1? ? ?系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)構(gòu)架和功能分析

為了實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，需要進(jìn)行系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)構(gòu)架構(gòu)建。首先分析無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)模型，設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)由傳感信息融合模塊、時(shí)鐘控制模塊、電源模塊、DSP集成控制模塊和人機(jī)交互模塊等組成[6]。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)的基陣模塊中，采用信號(hào)放大設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)高速采集輸出信息的融合處理，在A(yíng)D模塊中實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換控制，提高無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)的輸出抗干擾能力，通過(guò)模糊度檢測(cè)和信息融合的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)的抗干擾調(diào)節(jié)，根據(jù)上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)描述，具體的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)圖1所示的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)架構(gòu)，通過(guò)分塊組合控制和DSP集成信息處理的方法，建立無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分組融合和信息處理模型[7-8]，得到無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型，具體如圖2所示。

采用GPRS SIM300轉(zhuǎn)換器作為采集系統(tǒng)的低功耗信息處理器，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)采集的輸入原始信息跟蹤采樣[9]。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)高速采集的傳感器節(jié)點(diǎn)分布如圖3所示。

2? ? ?系統(tǒng)算法和硬件設(shè)計(jì)

2.1? ?系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)

在上述進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)與分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)高速采集的信息處理模型，采用多元信息跟蹤和特征分布式融合的方法[10-13]，得到無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)高速采集的信道配置參數(shù)模型為：

[xi=xm+i-mT?Xm+vi，i=1，2，…，m] （1）

其中，[Xm=x1，x2，…，xmT]表示分布式數(shù)據(jù)高速采集的[k-1]個(gè)節(jié)點(diǎn)到[k]個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)容量，[vi]表示分布式數(shù)據(jù)高速采集的隸屬度分布誤差;[xm]表示同一時(shí)刻分布式數(shù)據(jù)高速采集的信號(hào)強(qiáng)度。在最優(yōu)化的網(wǎng)格聚類(lèi)下，通過(guò)大數(shù)據(jù)聚類(lèi)的方法，對(duì)采集的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)進(jìn)行樣本聚類(lèi)分析，得到無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)高速采集后的輸出能量參數(shù)為：

[ETxk，d=Eelec?kxi+εamp?k?d2]? ? ?（2）

其中，[Eelec?k]表示分布式數(shù)據(jù)高速采集輸出[k]比特?cái)?shù)據(jù)包的能量消耗;[εamp]表示無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)融合的離散度，[d]表示數(shù)據(jù)采集所消耗的擴(kuò)散能量。在不確定模型與外部干擾因素作用下，得到無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的Sink節(jié)點(diǎn)調(diào)度下，采用能量均衡配置的方法，構(gòu)建無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)尋優(yōu)模型，得到數(shù)據(jù)采集后的輸出關(guān)聯(lián)參數(shù)為：

[x=M-l=1nETxk，dxlpc]? ? ? ? ? ? ?（3）

其中，[M]為先驗(yàn)數(shù)據(jù)分布概率密度，[pc]表示無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的輪換迭代次數(shù)，在時(shí)間段[Si-1，Si]內(nèi)，采用窗口匹配的方法得到無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)采集和調(diào)度的自相關(guān)匹配集為：

[Exi-x=i=1np2cxi-x2+2i=1npcxi2-x2] （4）

以能耗輸出最小為約束參數(shù)，在最大發(fā)射功率[pi*]的約束下，得到無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)采集的量化參數(shù)匹配集為[（xp，yp）]，對(duì)任意點(diǎn)[p]，采用自適應(yīng)參數(shù)識(shí)別方法，得到數(shù)據(jù)采集的輸出時(shí)間延遲為：

[tcomm′=tACK/Exi-x]? ? ? ? ?（5）

其中，[tACK]表示第一個(gè)子節(jié)點(diǎn)第一個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)的時(shí)間。對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)Sink，得到節(jié)點(diǎn)[i]進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的有效率為：

[PTX=Exi-xtcomm-tACKPR-start]? ? ? （6）

其中，[PR-start]表示無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)參數(shù)估計(jì)誤差，向量[x=[x1x2...xk]]表示無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)采集的調(diào)制向量，采用陣列內(nèi)插技術(shù)，對(duì)采集的傳感器數(shù)據(jù)[M1]，[M2][…][MN]進(jìn)行輸出可靠性調(diào)度，得到無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)高速采集的輸出功率損失為：

[Ecomm=PTX-PR-starttcomm+tACKExi-x]? ? ? （7）

假設(shè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)高速采集節(jié)點(diǎn)[i]傳輸數(shù)據(jù)到[j]的總到達(dá)率為[xiri（x）pji（x）]，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)高速采集的閉環(huán)參數(shù)為：

[ηcomm=xiri（x）pji（x）Ecomm]? ? ? ? ?（8）

綜上分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)高速采集的可靠性參數(shù)識(shí)別和融合處理。

2.2? ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在上述建立數(shù)據(jù)采集和信息處理的算法基礎(chǔ)上，在A(yíng)RM嵌入式微處理器和集成DSP中實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式數(shù)據(jù)的高速處理，并利用通過(guò)VIX總線(xiàn)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)高速采集后的數(shù)據(jù)交互控制設(shè)計(jì)。

在A(yíng)RM Cortex-M3內(nèi)核中進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的嵌入式開(kāi)發(fā)，以總線(xiàn)接口軟件作為I/O控制的底層數(shù)據(jù)裝置，建立無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的AD模塊，AD模塊的硬件電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

采用A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)建無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)采集的輸出控制裝置，采用多維傳感跟蹤識(shí)別的方法，實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的人機(jī)交互控制，在A(yíng)D模塊中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和自動(dòng)控制指令加載[14-15]，實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)，得到系統(tǒng)的硬件集成設(shè)計(jì)如圖5所示。

3? ? ?仿真測(cè)試分析

實(shí)驗(yàn)中，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的點(diǎn)分布結(jié)構(gòu)為140m*140m，數(shù)據(jù)采集的時(shí)間間隔為12.68ms，相位補(bǔ)償為12.5rad，稀疏向量的維度為15，數(shù)據(jù)采集的節(jié)點(diǎn)數(shù)目取1、3、5、9，由此得到在VIX總線(xiàn)控制下傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)采集輸出如圖6所示。

根據(jù)上述輸出分析，測(cè)試不同系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)高速采集的誤差，得到對(duì)比結(jié)果如圖7所示。

分析圖7得知，本文系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集誤差率始終處于0.3以下，且波動(dòng)幅度較另兩種系統(tǒng)小，表明本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行分布式數(shù)據(jù)高速采集的準(zhǔn)確率較高。

4? 結(jié)語(yǔ)

為提升無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)采集能力，本文設(shè)計(jì)了一種新的基于集成DSP的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)。分析無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式數(shù)據(jù)分布特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的信息融合和特征提取，在A(yíng)D模塊中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和自動(dòng)控制指令加載，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)的硬件優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究得知，本文系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)高速采集的誤差較小、精度較高，實(shí)際應(yīng)用效果好。

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